基于ZM5168模塊的農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

王仁增，任凱*，金大維，邊疆

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧遼陽111003；2.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧遼陽111000；3.忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽111003；）

基于ZM5168模塊的農(nóng)業(yè)溫室大棚溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

王仁增1，任凱1*，金大維2，邊疆3

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧遼陽111003；2.國網(wǎng)遼陽供電公司，遼寧遼陽111000；3.忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧遼陽111003；）

介紹了采用ZM5168模塊、STC89C52單片機(jī)和DHT11溫濕度傳感模塊構(gòu)成的ZIGBEE溫濕度采集節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)對溫室內(nèi)溫度、濕度信號的采集，并通過ZIGBEE通信實(shí)現(xiàn)所采集信號的實(shí)時無線傳輸。本設(shè)計(jì)均采用已經(jīng)開發(fā)好的功能模塊，這樣既保證了開發(fā)的高效性，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

ZM5168模塊；STC89C52單片機(jī)；QX4054芯片；DHT11模塊

我國黃河以北地區(qū)冬季長且寒冷，不適宜農(nóng)作物生長。農(nóng)民通過建造溫室大棚，解決作物冬天生長問題。但是，由于溫室屬于密閉空間，同時植物具有蒸騰作用，使溫室內(nèi)濕度很高，極易造成病害。因此，對溫室內(nèi)環(huán)境溫度和濕度的監(jiān)測具有重要意義。本文提出一種基于ZM5168模塊的溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，完成對農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)溫度和濕度信號的監(jiān)測，為農(nóng)民提供更加詳細(xì)、準(zhǔn)確、及時的環(huán)境參數(shù)，使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加高效、智能。

1 系統(tǒng)構(gòu)成

本設(shè)計(jì)采用基于ZIGBEE協(xié)議的ZM5168模塊作為通信接口，選用STC89C52單片機(jī)作為處理器，利用DHT11模塊作為溫濕度的傳感器，應(yīng)用QX4054芯片和CN5136芯片作為鋰電池管理單元，外接SD卡作為數(shù)據(jù)存儲器，采用LED實(shí)時顯示系統(tǒng)當(dāng)前的溫濕度值。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器STC89C52

STC89C52是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器。其采用增強(qiáng)型8051單片機(jī)，6 h和12 h工作周期可以任意選擇；指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)；工作電壓為5.5～3.3 V；8 K字節(jié)片上用戶程序存儲空間，512 K字節(jié)RAM存儲空間；具有32位通用IO口，可實(shí)現(xiàn)模擬SPI總線，用于SD卡的訪問，以及擴(kuò)展LED顯示功能和按鍵；通用異步收發(fā)串行接口用于和ZM5168模塊實(shí)現(xiàn)通信。因此本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)控制功能。

2.2 ZM5168通信模塊

ZM516X系列ZigBee無線模塊是廣州致遠(yuǎn)電子股份有限公司基于NXP JN5168芯片開發(fā)的低功耗、高性能型ZigBee模塊，它提供一個完整的基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)ISM（2.4-2.5GHz）頻段的應(yīng)用集成方案[1]。ZM5168模塊和單片機(jī)之間通過串口通信協(xié)議，就可以實(shí)現(xiàn)ZIGBEE通信節(jié)點(diǎn)之間的無線通信功能。ZM5168模塊共有27根引腳，其中12腳和13腳是TTL電平的串口收發(fā)引腳，22腳是復(fù)位輸入引腳RESETN，25腳是命令響應(yīng)引腳ACK，14腳是恢復(fù)出廠設(shè)置引腳DEF，16腳是工作指示燈引腳STATE。在本設(shè)計(jì)中采用的電路原理可以完成ZM5168通信模塊的無線數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

2.3 DHT11溫度濕度采集模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。一共有4根引腳，其中引腳1為電源，引腳4為GND，引腳3為DATA。本設(shè)計(jì)中單片機(jī)通過通用IO口和DATA之間的連接，完成對溫度和濕度信號的采集功能。

2.4 電源電路

本設(shè)計(jì)中，節(jié)點(diǎn)供電采用鋰離子電池供電。鋰離子電池的電源管理系統(tǒng)采用鋰離子電池恒流恒壓線性充電IC芯片QX4054、ADI公司出品的降壓模塊ADP3339AKC -3.3-RL以及上海如韻公司出品的CN5136模塊構(gòu)成[2]。該管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)micro usb接口充電，可以提供5 V、3.3 V電壓，滿足本設(shè)計(jì)的需求。

3 軟件設(shè)計(jì)

本節(jié)點(diǎn)采用C51語言作為開發(fā)語言，Keil uVision作為軟件開發(fā)平臺，實(shí)現(xiàn)對節(jié)點(diǎn)程序的設(shè)計(jì)。整個程序分為5部分：主程序、顯示子程序、通信子程序、溫濕度采集子程序，以及IO模擬SPI驅(qū)動子程序。首先，處理器上電復(fù)位，完成對數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、顯示緩沖區(qū)、定時器等的初始化。ZM5168模塊的初始化通過在PC機(jī)上的FastZIGBEE應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)在初始化階段只需要完成對串口的初始化即可。初始化完成后，單片機(jī)延時越過傳感器DHT11的非穩(wěn)定狀態(tài)期，與此同時，通過LED顯示數(shù)據(jù)緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)，并循環(huán)執(zhí)行。數(shù)據(jù)的采集是通過單片機(jī)的定時中斷實(shí)現(xiàn)，節(jié)點(diǎn)設(shè)置采集周期為1 S。當(dāng)需要時，節(jié)點(diǎn)可以通過無線接口，把數(shù)據(jù)上傳給上位機(jī)，完成數(shù)據(jù)收發(fā)的工作。

4 結(jié)論

本節(jié)點(diǎn)均采用成熟可靠的模塊進(jìn)行開發(fā)，降低了開發(fā)的難度，提高了工作的可靠性。本節(jié)點(diǎn)涉及的功能均通過實(shí)際測試實(shí)現(xiàn)完成，效果良好。但是，ZM5168通信模塊具有的強(qiáng)大組網(wǎng)功能沒有在本設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)，還需要進(jìn)一步的設(shè)計(jì)和開發(fā)。

[1]廣州致遠(yuǎn)電子有限公司.ZM516X系列ZigBee無線模塊用戶手冊[OB/OL].

[2]劉勝男，于鑫，王巖.基于鋰電池的便攜式電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件，2012，34（12）：90-91.

1005-2690（2017）08-0135-02

S126；S625

B

2017-07-25）

任凱（1981-），男，漢族，遼寧蓋州人，碩士，工程師，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)控制技術(shù)及嵌入式技術(shù)等。